Synergy of active and passive airborne observations for the evaluation of the radiative impacts of aerosols : application to the AEROCLO-SA field campaign in Namibia
Synergie d'observations actives et passives pour l'évaluation des impacts radiatifs des aérosols : application à la campagne de terrain AEROCLO-sA en Namibie
Résumé
Aerosols exert substantial influence on both local and global climates, as well as on cloud and precipitation patterns. Presented herein are original findings from the Aerosol Radiation and Clouds in Southern Africa (AEROCLO-sA) field campaign conducted in Namibia during August and September 2017. This region demonstrates a robust response to climate change and is associated with significant uncertainties in climate models. Substantial quantities of aerosols resulting from biomass burning, emitted by vegetation fires in Central Africa, are transported extensively over Namibian deserts and are also detected above stratocumulus clouds covering the South Atlantic Ocean along the Namibian coast. Absorbing aerosols above clouds are linked to a pronounced positive direct radiative forcing (warming), a phenomenon still underestimated in climate models (De Graaf et al., 2021). The absorption of solar energy by aerosols above clouds may induce warming within the aerosol layer. This warming has the potential to alter the thermodynamic properties of the atmosphere, impacting the vertical development of low-level clouds and influencing cloud top height and brightness. This aerosol semi-direct effect has been previously observed off the coasts of Angola and Namibia (Wilcox, 2012; Deaconu et al., 2019).The airborne field campaign involved ten flights conducted with the French F-20 Falcon aircraft in the designated region of interest. Several instruments were employed, including the OSIRIS polarimeter, a prototype of the upcoming European Space Agency's 3MI spaceborne instrument (Chauvigné et al., 2021), the LNG lidar, an airborne photometer named PLASMA, as well as fluxmeters and radiosondes used for measuring thermodynamic quantities. Additionally, in situ measurements of aerosol particle size distribution complemented the instrumentation suite.In order to quantify the aerosol's radiative impact on the Namibian regional radiative budget, we employ an innovative approach that combines data from the polarimeter and lidar to derive aerosol heating rates. This methodology is assessed during substantial transports of biomass burning particles. To calculate this parameter, we utilize a radiative transfer code and additional meteorological parameters provided by radiosondes. We will present the results obtained for multiple flights conducted during the campaign, where the aerosol load was notably high. Biomass burning aerosols were transported along the Namibian coast, and aerosol plumes were typically observed above stratocumulus clouds. We will present vertical profiles of heating rates computed in the solar and thermal parts of the spectrum using this technique. Our findings indicate particularly high heating rate values estimated above clouds due to aerosols, reaching up to 8 K per day in extreme cases, which has the potential to disrupt the dynamics of the sub-cloud layers. The radiative impact of water vapor present in these plumes is also addressed.To validate and quantify this novel methodology, we used flux measurements acquired during loop descents performed during dedicated segments of the flights. This approach provides unique measurements of the flux distribution (upwelling and downwelling) and heating rates as function of altitude.Finally, we will discuss the feasibility of applying this method to available passive and active spaceborne observations to provide initial estimates of heating rate profiles above clouds on a global scale.
Les aérosols ont des effets importants tant sur le climat local que mondial, ainsi que sur les nuages et les précipitations. Nous présentons ici des résultats originaux de la campagne de terrain AErosol RadiatiOn and CLOud in Southern Africa (AEROCLO-sA) menée en Namibie en août et septembre 2017. Cette région montre une forte réponse au changement climatique et est associée à d'importantes incertitudes dans les modèles climatiques. De grandes quantités d'aérosols issues de la combustion de biomasse émis par les feux de végétation en Afrique centrale sont transportées loin au-dessus des déserts namibiens et sont également détectées au-dessus des nuages de type stratocumulus couvrant l'océan Atlantique Sud le long de la côte namibienne. Les aérosols absorbants au-dessus des nuages sont associés à un important forçage radiatif direct positif (réchauffement) qui est encore sous-estimé dans les modèles climatiques (De Graaf et al., 2021). L'absorption de l'énergie solaire par les aérosols au-dessus des nuages peut également provoquer un réchauffement à l'endroit où se trouve la couche d'aérosols. Ce réchauffement pourrait altérer les propriétés thermodynamiques de l'atmosphère, ce qui aurait un impact sur le développement vertical des nuages de bas niveau, influençant la hauteur du sommet nuageux et sa luminosité. Cet effet semi-direct des aérosols a été observé précédemment au large des côtes de l'Angola et de la Namibie (Wilcox, 2012 ; Deaconu et al., 2019).La campagne de terrain aérienne consistait en dix vols effectués avec l'avion français F-20 Falcon dans cette région d'intérêt. Plusieurs instruments ont été utilisés : le polarimètre OSIRIS, prototype du prochain instrument spatial 3MI de l'ESA (Chauvigné et al., 2021), le lidar LNG, un photomètre aéroporté appelé PLASMA, ainsi que des fluxmètres et des radiosondages utilisés pour mesurer les quantités thermodynamiques, complétés par des mesures in situ de la distribution de taille des particules d'aérosol.Afin de quantifier l'impact radiatif des aérosols sur le bilan radiatif régional namibien, nous utilisons une approche originale qui combine les données du polarimètre et du lidar pour déduire le taux de chauffage des aérosols. Cette approche est évaluée lors de transports massifs de particules de combustion de biomasse. Pour calculer ce paramètre, nous utilisons un code de transfert radiatif et des paramètres météorologiques supplémentaires fournis par les radiosondages. Nous présenterons les résultats obtenus pour plusieurs vols effectués durant la campagne, où la charge en aérosols était très importante. Des aérosols issus de la combustion de biomasse ont été transportés le long de la côte namibienne, et les panaches d'aérosols ont été typiquement observée au-dessus des stratocumulus. Nous présenterons des profils verticaux des taux de chauffage calculés dans les parties solaire et thermique du spectre avec cette technique. Nos résultats indiquent des valeurs de taux de chauffage particulièrement élevées estimées au-dessus des nuages en raison des aérosols, de l'ordre de 8 K par jour dans les cas extrêmes, ce qui est susceptible de perturber la dynamique des couches sous-nuage. L'impact radiatif de la vapeur d'eau présent dans ces panaches est également abordé.Afin de valider et quantifier cette nouvelle méthodologie, nous avons utilisé les mesures de flux acquises lors de descentes en boucle effectuées pendant des parties dédiées des vols, ce qui fournit des mesures uniques de la distribution des flux (ascendants et descendants) et des taux de chauffage en fonction de l'altitude.Enfin, nous discuterons de la possibilité d'appliquer cette méthode aux observations spatiales passives et actives disponibles afin de fournir les premières estimations de profils de taux de chauffage au-dessus des nuages à l'échelle globale.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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